KR20150003587U

KR20150003587U - 스포크타입의 모터 로터

Info

Publication number: KR20150003587U
Application number: KR2020140002275U
Authority: KR
Inventors: 정진근
Original assignee: 효성전기주식회사
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2015-10-02

Abstract

본 고안은 마그넷을 스포크타입으로 결합 구성하여 제조원가를 줄이면서 모터효율을 향상시킬 수 있도록 한 스포크타입의 모터 로터(30)를 제공코자 하는 것으로서, 모터의 로터(30)에 저가의 페라이트마그넷(2) 수개를 방사상의 스포크타입으로 매입 구성하여 제조원가를 현저히 줄이면서 모터효율의 저하를 방지하되, 상기 코어(1)를 3단의 코어부재(1a)로 분할하여 스큐형태로 구성하면서 상기 코어(1)의 자속장벽(5)에서 자극면(6)의 양측 단부를 자극면(6)의 원호(D)와 편심지면서 반경이 작아지도록 형성하여 자극면(6)과 페라이트마그넷(2) 사이의 거리를 좁아지도록 하므로 코깅 토크를 감소시킬 수 있으며, 자속장벽(5) 내측에 장공형태의 홀(7)을 형성하여 로터(30)가 회전할 시 페라이트마그넷(2)에 의한 자기장의 흐름을 개선시키므로 코깅 토크를 감소시킴과 더불어서 토크 리플을 감소시키면서 코어(1)의 원재료 절감과 함께 경량화까지도 득할 수 있으므로 전체적으로 저가이면서 고성능의 모터를 제공할 수 있는 등 다수의 효과를 기대할 수 있는 것이다.

Description

스포크타입의 모터 로터{A motor rotor of the spoke type}

본 고안은 스포크타입의 모터 로터에 대한 것으로서, 이를 보다 상세히 설명하면 모터의 내부에서 샤프트에 고정 설치되어 회전이 이루어지도록 구성된 모터 로터에 마그넷을 스포크타입으로 결합 구성하면서 로터의 형상과 구조를 가변시켜서 제조원가를 줄이면서 모터효율을 향상시킬 수 있도록 한 스포크타입의 모터 로터에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 AC모터(alternating current motor)와 DC모터(direct current motor)로 대분되며, 제어방식이나 브러시(brush)의 여부 등에 의해서 매우 다양한 종류의 모터가 존재하고 있는바, 본 고안에서는 이러한 다양한 모터들 중에서 자동차의 조향장치에 사용되는 이피에스모터(EPS Motor)를 대상으로 하는 것으로서, 이러한 이피에스모터는 풀어서 Electronic Power Steering Motor라고 하며, 자동차의 저속주행 및 주차 시에 운전자가 조향핸들에 가하는 조향력을 덜어주기 위해서 유압을 이용하던 기존의 유압식 조향장치가 갖는 문제점을 해결코자 개발된 전자제어식 조향장치에 사용되는 모터인 것이다.

상기 이피에스모터는 코일이 권선되어 고정 설치된 스테이터(stator; 고정자(固定子))와 상기 스테이터의 내측으로 샤프트에 고정 설치되어 전기 공급 시 자기장에 의해서 자체 회전이 이루어지는 로터(rotor; 회전자(回轉子))를 구비하되, 종래의 이피에스모터에서 로터에 설치되는 마그넷으로는 주로 경량화 및 고성능을 갖는 ND(neodymium)마그넷을 사용하였으며, 이와는 별개로 일반적인 DC모터에서 로터에 설치되는 마그넷으로는 주로 저가의 페라이트(ferrite)마그넷을 적용하고 있는바, 여기서 상기 ND마그넷은 가장 널리 사용되는 희토류자석 중 하나로 네오디뮴(Nd)과 철(Fe) 및 붕소(B)를 2:14:1의 비율로 분말야금법에 의해서 합금하여 만들어져서 자속밀도와 보자력(保磁力)이 월등하며 가격이 비싼 반면, 상기 페라이트마그넷은 세라믹자석이라고도 하며 구성물질은 바륨(Ba; barium), 산화철(Fe), 스트론륨(Sr; strontium) 등으로 습식방식 또는 건식방식으로 제작되어져서 각종 전자 및 기계산업, 생활용품 등에 광범위하게 사용되면서 낮은 자속밀도와 높은 보자력을 지니며, 가격이 저렴하여 다양한 분야에 상용화되어 있었으나, 종래 일반적인 DC모터에 주로 사용되는 저가의 페라이트마그넷을 이피에스모터에 사용하여 제조원가를 줄이려고 할 경우 모터효율이 급격히 저하되는 문제점이 있어서 제조원가가 높아짐에도 불구하고 대부분의 이피에스모터에 ND마그넷을 그대로 사용할 수밖에 없었던 것이다.

또한 모터의 로터에 마그넷을 설치하는 구조에 따라서는 대한민국 등록실용신안 제201095호(2000년 11월 1일자 공고)에 게재된 바와 같은 SPM(Surface Permanent Magnet)구조의 로터나 대한민국 공개특허 2006년 제124702호(2006년 12월 5일자 공개)에 게재된 바와 같은 영구자석 매입형태 중에 하나인 IPM(Interior Permanent Magnet)구조의 로터로 구분되며, 상기 SPM 로터의 경우 로터의 코어 표면에 영구자석이 부착된 형태로서 상대적으로 소음과 진동이 작으면서 회전력은 좋으나 고속 회전 시 영구자석의 이탈과 기계적 강성의 저하 및 운전영역의 다양화를 위한 제어가 용이하지 않다는 단점을 가지고 있었으며, IPM로터의 경우 코어에 상하로 관통된 매입공으로 영구자석이 삽입 고정된 형태로서 기존의 SPM로터보다 전자기적 토크(magnetic torque)에 돌극성(sailent pole)구조에 의한 릴럭턴스 토크(reluctance torque)가 부가되어 토크 및 출력이 증가되며, 이에 더하여 상기 영구자석의 매입형 구조 중 IPM로터보다 토크가 보다 더 향상되도록 하여 모터효율이 더 향상되게 한 스포크타입(spoke type)로터가 개발되었으나, 이러한 종래 단순 스포크타입의 로터는 상기 SPM 내지 IPM구조의 로터에 비하여 공극자속밀도와 토크를 크게 향상시켜서 고출력의 특성을 가지지만, 반대로 릴럭턴스 토크에 의한 코깅 토크(cogging torque)가 증가하게 되고, 운전 제어가 어려워지는 등의 문제점을 가지고 있었던 것이다.

KR 20-0201095 Y1 2000. 11. 1. KR 10-2006-0124702 A 2006. 12. 5.

이에 본 고안에서는 상기한 종래 기술의 제반 문제점들을 해결코자 새로운 기술을 창안한 것으로서, 본 고안은 자동차의 조향시스템에 사용되는 이피에스모터의 로터에 사용되던 종래 ND마그넷 대신 일반적인 DC모터의 로터에 주로 사용되는 저가의 페라이트마그넷을 사용하여 제조원가를 절감시키며, 로터에 사용되는 페라이트마그넷에 의한 모터효율의 저하를 방지하기 위해서 종래 로터에 적용되던 SPM구조나 IPM구조 대신 영구자석 매입형 구조에서 스포크타입으로 페라이트마그넷을 로터에 적용하여 공극자속밀도와 토크를 향상시킴으로 해서 모터효율을 향상시키며, 스포크타입의 로터에 의해서 코깅 토크(cogging torque)와 토크 리플(torque ripple)이 증가되던 것을 로터의 구조와 형상을 개선시켜서 상기 코깅 토크와 토크 리플까지 극감되게 하여 전체적으로 제조원가를 현저히 줄이면서도 모터효율을 향상시킬 수 있도록 한 스포크타입의 모터 로터를 제공함을 고안에서 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 고안의 과제를 해결하기 위한 구체적인 수단으로 본 고안에서는 스포크타입의 모터 로터를 구성하되, 상기 본 고안의 스포크타입의 모터 로터는 샤프트에 결합 고정된 코어에 샤프트를 중심으로 하여 로터 외측의 스테이터로 수개의 페라이트마그넷이 방사상의 스포크타입으로 매입되도록 수개의 슬롯이 형성되며, 페라이트마그넷이 매입되는 코어의 각 슬롯 단부 양측에 로터의 고속회전 시 페라이트마그넷이 코어에서 분리되는 것을 방지토록 내향 돌출되는 걸림턱이 형성되며, 상기 수개의 페라이트마그넷이 방사상의 스포크타입으로 매입된 로터 코어는 3단의 코어부재로 분할되어 적층 구성되며, 상기 3단의 코어부재에 방사상의 스포크타입으로 매입 구성된 수개의 페라이트마그넷이 각 코어부재마다 일측으로 6.5도씩 비틀어지게 스큐(skew)형태로 구성된다.

이에 더불어서 상기 페라이트마그넷 사이에서 부채꼴 형상을 갖도록 이루어진 코어의 자속장벽 외곽인 자극면의 양측 단부는 자극면의 원호와 편심되면서 자극면의 원호보다 반경이 작은 원호를 갖도록 하여 페라이트마그넷의 외측 단부에서 자극면까지의 거리가 좁아지게 구성되며, 상기 코어의 자속장벽 내측에 상하로 관통되는 홀을 형성하여 로터의 회전 시 페라이트마그넷에서 의해서 생성되는 자기장의 흐름이 원활하게 이루어지며, 홀을 장공형태로 형성하여 보다 모터의 성능을 향상시킬 수 있도록 함을 특징으로 한다.

상술한 과제 해결을 위한 구체적인 수단에 의하면, 본 고안의 스포크타입의 모터 로터는 이피에스모터의 로터에 설치되는 영구자석으로 고가의 ND마그넷 대신 일반적인 DC모터에 주로 사용되던 저가의 페라이트마그넷을 로터의 코어에 방사상의 스포크타입으로 매입 구성하며, 상기 코어를 3단의 코어부재로 분할하여 스큐형태로 구성하며, 상기 코어의 자속장벽에서 자극면의 양측 단부를 페라이트마그넷의 외측 단부까지 거리를 좁아지게 형성하면서 자속장벽 내측에 장공형태의 홀을 형성하여 전체적으로 제조원가를 절감시킴과 더불어 모터효율을 향상시킬 수 있도록 한 것으로서, 다음과 같은 세부적인 효과를 가지도록 한 것이다.

첫째, 이피에스모터의 로터에서 종래 사용되던 고가의 ND마그넷 대신 DC모터 등에 사용되던 저가의 페라이트마그넷을 이용하여 제조원가를 현저히 줄일 수 있다.

둘째, 로터에 페라이트마그넷을 사용하여 모터효율이 저하되던 것을 페라이트마그넷이라도 로터의 코어에 방사상의 스포크타입으로 매입 구성하여 종래 SPM구조 또는 IPM구조의 로터에 비하여 공극자속밀도와 토크를 향상시켜서 모터효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

셋째, 스포크타입의 로터에 의해서 코깅 토크와 토크 리플이 증가되던 것을 로터의 구조를 3단의 코어부재가 스큐형태로 구성되도록 함에 따라서 코깅 토크를 현저히 감소시킬 수 있다.

넷째, 코어의 자속장벽에서 자극면의 양측 단부를 자극면의 원호와 편심지면서 반경이 작아지도록 형성하여 자극면과 페라이트마그넷 사이의 거리를 좁아지게 해서 이에 의해서 코깅 토크를 보다 더 감소시킬 수 있다.

다섯째, 자속장벽의 내측에 장공형태의 홀을 형성하여 로터가 회전할 시 페라이트마그넷에 의한 자기장의 흐름을 개선시키므로 코깅 토크를 감소시킴과 더불어서 토크 리플을 감소시키면서 코어의 원재료 절감과 함께 경량화까지도 득할 수 있으며, 상기 셋째 내지 다섯째에서와 같이 로터의 형상 및 구조의 변화에 의해서 스포크타입의 로터가 갖는 문제점을 해결함으로써, 저가이면서 고성능의 모터를 제공할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 고안이다.

도 1은 본 고안의 로터가 적용된 이피에스모터의 분리 사시도
도 2는 본 고안의 로터가 적용된 이피에스모터의 단면도
도 3은 본 고안에서 제공하는 로터의 일례를 보인 사시도
도 4는 본 고안의 로터에서 3단의 코어부재 중 하나의 코어부재의 평면을 보인 예시도
도 5는 도 4에서 자속장벽과 장공 홀의 세부 구조를 보인 확대 평면도

상기 도면들과 더불어 본 고안을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 고안은 다양한 모터들 중에서 자동차의 조향장치에 사용되는 이피에스모터(10)를 대상으로 하며, 이러한 이피에스모터(10)는 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이 외측의 하우징(11)과 하우징(11)의 상부에 결합 구성되는 커버(12)로 이루어지며, 상기 하우징(11)의 내주면에는 코일(21)이 권선되어 하우징(11)에 고정 설치된 스테이터(20)가 구비되며, 스테이터(20)의 내측으로는 중심으로 샤프트(40)에 결합되어 스테이터(20)의 전자기적 상호작용에 의해서 샤프트(40)와 함께 자체 회전되도록 구성된 로터(30)가 구비되며, 샤프트(40)의 상단에는 자동차의 조향축(S)이 연결 구성되며, 상기 샤프트(40)의 상부에는 센싱마그넷(50)이 고정 설치되어 커버(12)의 내측에 설치된 감지센서(60)에서 센싱마그넷(50)의 자기력을 감지하여 로터(30)의 위치를 감지할 수 있도록 이루어진 것이다.

본 고안에서는 상기 이피에스모터(10)의 스테이터(20) 내측에서 자체 회전되는 로터(30)의 구성에 관한 것으로서, 상기 본 고안의 로터(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 샤프트(40)가 관통되게 결합 고정된 코어(1)에 영구자석 중 저가형의 페라이트마그넷(2) 수개를 매입되게 구성하되, 상기 페라이트마그넷(2)을 로터(30)의 코어(1)에 바퀴살과 같이 중심인 샤프트(40)에서 외측의 스테이터(20) 방향을 향해서 방사상의 스포크타입으로 매입되게 고정 구성한 것이다.

이때 로터(30)의 코어(1)에는 페라이트마그넷(2)이 매입되게 방사상으로 수개의 슬롯(3)을 형성하며, 각 슬롯(3)에 페라이트마그넷(2)이 매입된 후 로터(30)의 고속회전 시 페라이트마그넷(2)이 로터(30)의 외측으로 분리되지 않도록 각 슬롯(3)의 단부 양측에 내향 돌출되는 걸림턱(4)을 형성하며, 페라이트마그넷(2)의 내측 단부는 코어(1)의 슬롯(3) 내측면과 이격되게 형성한다.

상기와 같이 로터(30)의 코어(1)에 페라이트마그넷(2)이 스포크타입으로 매입 구성될 시 영구자석인 페라이트마그넷(2)이 스포크타입으로 매입됨에 따라서 모터효율이 증대되는 이점과 함께 코깅 토크와 토크 리플이 증가되는 문제점을 가지고 있어서 이를 해결코자 하기와 같이 로터(30)의 구조와 형상을 가변시키도록 한 것이다.

본 고안에서는 로터(30)의 코어(1)를 도 3에서와 같이 3단의 코어부재(1a)로 분할 구성하고, 각 코어부재(1a)에 상기와 같이 방사상으로 수개의 슬롯(3)을 형성한 후 각 슬롯(3)에 페라이트마그넷(2)을 방사상의 스포크타입으로 매입되게 구성하며, 각 코어부재(1a)를 비틀어지게 스큐(skew)형태로 샤프트(40)에 고정 설치하여 각 코어부재(1a)에 매입된 페라이트마그넷(2)이 소정 각도로 비틀어지도록 구성하며, 도시된 바와 같이 각 코어부재(1a)에 스포크타입으로 매입된 페라이트마그넷(2)을 8개로 하면서 3단의 각 코어부재(1a)가 일측으로 6,5도씩 비틀어지도록 스큐형태로 구성할 수 있는 것이며, 상기 3단 코어부재(1a)의 비틀림 각도는 6.5도에 한정되는 것이 아니라, 페라이트마그넷(2)의 개수와 길이 및 두께 등에 따라서 코깅 토크를 최소로 감소시킬 수 있는 비틀림 각도를 정해서 제작토록 한다.

이와 더불어서 본 고안에서는 로터(30)의 구조 및 형상을 도 3 내지 4에서와 같이 상기 페라이트마그넷(2)이 매입된 이웃하는 슬롯(3)과의 사이에서 부채꼴 형상을 갖도록 이루어진 코어(1)의 자속장벽(5)(flux barrier)을 구성함에 있어서, 상기 코어(1)의 자속장벽(5)은 도 5에 도시된 바와 같이 외곽으로 스테이터(20)와 근접되는 원호형의 자극면(6)을 구비하되, 이러한 자극면(6)의 양측 단부는 자극면(6)의 원호(D)와 편심되면서 자극면(6)의 원호(D)보다 반경이 작은 원호(d)를 갖도록 하여 페라이트마그넷(2)의 외측 단부에서 자극면(6)까지의 거리를 좁아지도록 구성한다.

또한 상기 코어(1)의 자속장벽(5)은 내측에 상하로 관통되는 홀(7)을 형성하여 로터(30)의 회전 시 페라이트마그넷(2)에 의해서 생성되는 자기장의 흐름이 원활하게 이루어지도록 하며, 상기 홀(7)은 로터(30)의 중심인 샤프트(40)와 방사상의 외측으로 길이가 긴 장공형태로 형성하여 자기장의 흐름을 보다 더 개선시키면서 코깅 토크의 감소와 함께 토크 리플의 감소를 동시에 얻을 수 있어서 모터의 성능을 향사시키는데 일조하도록 하며, 더불어 코어(1)의 원재료 절감 및 모터의 경량화까지도 득할 수 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 고안에서 제공하는 스포크타입의 모터 로터(30)는 자가의 페라이트마그넷(2)을 로터(30)의 코어(1)에 방사상의 스포크타입으로 매입 구성하되, 코어(1)를 3단의 코어부재(1a)로 분할하여 스큐형태로 구성하며, 코어(1)의 자속장벽(5)에서 자극면(6)의 양측 단부를 페라이트마그넷(2)의 외측 단부까지의 거리를 좁아지게 형성하면서 자속장벽(5)의 내측에 장공형태의 홀(7)을 형성함을 특징으로 하여 이피에스모터(10)의 제조원가 절감과 함께 모터의 성능향상을 꾀할 수 있도록 한 것으로서, 이의 작용을 하기에서 보다 면밀히 살펴보도록 한다.

상기의 구성을 갖는 이피에스모터(10)에서 스테이터(20)의 코일(21)로 전기를 공급하면 스테이터(20)의 코일(21)과 로터(30)에 스포크타입으로 매입된 페라이트마그넷(2)의 전자기적 상호작용에 의해서 로터(30)가 회전하면서 로터(30)의 중앙에 고정된 샤프트(40)가 동시에 회전하면서 상단에 연결 구성된 자동차의 조향축(S)을 회전시켜서 운전자가 자동차의 저속주행 및 주차 시에 조향핸들에 가하는 조향력을 덜어 줄 수 있는 것이다.

상기 본 고안의 로터(30)가 적용된 이피에스모터(10)는 로터(30)에 사용되는 영구자석이 저가의 페라이트마그넷(2)으로서 제조원가를 줄이면서 페라이트마그넷(2)이 로터(30)의 코어(1)에 스포크타입으로 매입되어 회전력과 토크를 향상시켜서 모터효율을 높이며, 코어(1)를 3단의 코어부재(1a)로 분할하여 비틀어지게 스큐형태로 구성하면서 코어(1)의 자속장벽(5) 외측의 자극면(6) 양측 단부를 페라이트마그넷(2)의 외측 단부까지 좁아지게 형성하여 코깅 토크를 저감시키며, 코어(1)의 자속장벽(5) 내측에 장공형태의 홀(7)을 형성하여 코킹 토크 및 토크 리플을 저감시키면서 원재료 절감과 모터 중량을 줄일 수 있어서 이피에스모터(10)의 제조원가를 절감하면서 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 고안의 상세한 설명에서는 본 고안의 로터(30)를 이피에스모터(10)에 적용하는 것을 실시 예로 하여 설명하고 있으나, 다른 모터들에도 적용할 수 있는 것으로서, 본 고안의 기술범주에 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 물론이고, 그러므로 본 고안의 보호범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 실용신안등록청구범위 뿐만 아니라 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

1:코어 1a:코어부재
2:페라이트마그넷 3:슬롯
4:걸림턱 5:자속장벽
6:자극면 7:홀
10:이피에스모터 11:하우징
12:커버 20:스테이터
21:코일 30:로터
40:샤프트 50:센싱마그넷
60:감지센서

Claims

샤프트(40)에 결합 고정된 코어(1)에 수개의 페라이트마그넷(2)이 방사상의 스포크타입으로 매입되도록 형성된 수개의 슬롯(3)과,
코어(1)의 각 슬롯(3) 단부에 로터(30)의 고속회전 시 페라이트마그넷(2)이 코어(1)에서 분리되지 않도록 양측에서 내향 돌출되게 형성된 걸림턱(4)과,
수개의 슬롯(3)에 매입되게 고정 설치된 수개의 페라이트마그넷(2)이 포함되며,
상기 코어(1)는 3단의 코어부재(1a)로 분할되어 샤프트(40)에서 각 코어부재(1a)가 페라이트마그넷(2)이 일치하지 않도록 비틀어진 스큐형태로 적층 구성되며,
페라이트마그넷(2) 사이에서 부채꼴 형상을 갖도록 이루어진 코어(1)의 자속장벽(5)이 구비되며,
자속장벽(5)의 외곽인 자극면(6)의 양측 단부는 자극면(6)의 원호(D)와 편심되면서 자극면(6)의 원호(D)보다 반경이 작은 원호(d)를 갖도록 하여 페라이트마그넷(2)의 외측 단부에서 자극면(6)까지의 거리가 좁아지게 구성되며,
코어(1)의 자속장벽(5) 내측에 상하로 관통되는 장공형태의 홀(7)이 형성되어 하나의 모터 로터(30)를 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 스포크타입의 모터 로터.